2 - MACHINES & TOOLS FOR HIGH SPEED MILLING 2 - MACCHINE ED UTENSILI PER ALTA VELOCITÀ

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1 2 - MACCHINE ED UTENSILI PER ALTA VELOCITÀ Le macchine per Alta Velocità (HSM) differiscono dalle classiche macchine utensili per alcuni elementi caratteristici che le contraddistinguono: - Velocità ed accelerazione degli assi Velocità di rotazione dell utensile Rigidezza della struttura - Controllo numerico La fresatura ad Alta Velocità (High Speed Milling) si pone infatti come obbiettivo quello di aumentare la capacità di asportazione di truciolo delle macchine utensili non più agendo sulla grossa potenza di asportazione alle basse velocità, ma sulla capacità delle macchine utensili di poter eseguire i percorsi di lavorazione sempre più velocemente e con precisioni aumentate, grazie ad utensili in grado di lavorare con velocità di taglio più elevate. Se per una macchina utensile tradizionale valori di velocità di avanzamento degli assi di m/min, accelerazioni dell ordine di 1-1,5 m/s 2 e velocità di rotazione del mandrino di rpm sono parametri del tutto accettabili e condivisi dal mercato, per una macchina ad Alta Velocità si parla invece di velocità di avanzamento degli assi di o addirittura di 100 m/min, accelerazioni che vanno dai 3-6 m/s 2 fino ai 15 m/s 2 e velocità di rotazione del mandrino che partendo dai rpm arrivano fino ai rpm. Nelle macchine per HSM l incremento dei parametri caratteristici utilizzati per valutare le capacità di lavoro della macchina è del % rispetto a quelli delle macchine utensili tradizionali. Anche gli utensili hanno caratteristiche particolari permettendo delle velocità di taglio notevolmente più elevate. Se prendiamo ad esempio gli acciai, grazie ai nuovi materiali con cui sono realizzati gli utensili, ai trattamenti e rivestimenti le velocità di taglio sono passate dai m/min ai m/min oppure a parità di velocità gli avanzamenti per dente sono triplicati. 2 - MACHINES & TOOLS FOR HIGH SPEED MILLING The high speed machines (HSM) are different from the traditional machine tools in some characteristic elements that make them different: - Speed and acceleration of the axes Tool rotation speed Stiffness of the structure - Numerical control High speed milling is designed to increase the capacity of chip removal of the machine tools, while no longer relying on high removal power at low speed, but on the capacity of the machine tools to be able to carry out work passes more and more quickly and with increased precision, thanks to the tools which are able to work with higher cutting speeds. For a traditional machine tool, feed speed values for the axes of metres/min, acceleration of about metre/sec 2 and rotation speed for the electrospindle of 7,000-10,000 rpm are parameters which are quite acceptable and widespread in the market. However for high speed machines, we have feed speeds for the axes of or even 100 metres/min, an acceleration that goes from 3-6 metre/sec 2 up to 15 metre/sec 2 and spindle speed range that start at 16,000-24,000 and go up to 40,000 rpm. In machines for HSM, the increase in the characteristic parameters used to evaluate the work capacity of the machine is % of that for traditional machine tools. The tools also have particular characteristics that allow considerably higher cutting speeds. Taking steel, for example, thanks to new materials with which the tools, treatment and coatings are produced, the cutting speed has changed from metres/min to metres/min; or at the same feed speed for teeth have tripled. Breton HSM 24

2 reinforced Plastics non-ferrous ferrous super alloys Ni - Base Steel Aluminum Castings GFK/CFK Vc [m/min] Fig. 28: La figura fa vedere come le velocità di taglio per le varie classi di materiali stanno evolvendo in funzione delle nuove tipologie di utensili per HSC (High Speed Cutting). L aumento notevole della dinamica ha portato di conseguenza a dimensionare opportunamente la struttura della macchina utensile per Alta Velocità. Aumentando le accelerazioni, le forze d inerzia generate dalle masse in movimento assumono un ruolo preponderante nel dimensionamento della macchina, anche rispetto agli sforzi di lavorazione. Ecco quindi che la macchina per HSM si rivolge ad architetture compatte, il più possibile simmetriche, dove gli elementi in movimento siano il minor numero ed i più leggeri possibile, ma allo stesso tempo sufficientemente rigidi per garantire la precisione e la qualità di finitura richiesta con la massima dinamica. L incremento di prestazioni dinamiche ottenibile con architetture di tipo classico, grazie all impiego di tecnologia più moderna, è dell ordine di 2-3 volte, mentre su architetture espressamente concepite per Alta Velocità si possono utilizzare parametri cinematici fino a dieci volte superiori Architettura di fresatrici per HSM Come abbiamo detto l architettura della macchina ha un ruolo fondamentale per lo studio della dinamica, per minimizzare le forze inerziali e per garantire la precisione e la qualità di finitura del pezzo. Secondo una prima macro classificazione potremo suddividere le macchine utensili in due grandi categorie: Macchine ad architettura cartesiana - Macchine ad architettura parallela o esapodale Fig. 28: The figure shows how the cutting speeds for the various classes of materials are evolving according to the new types of tools for high speed cutting (HSC). The considerable increase in the dynamics has lead to a suitable dimensioning of the structure of the high speed machine tool. By increasing the acceleration, the forces of inertia generated by the masses in movement take on an important role in deciding on the dimensions of the machine, also regarding the work forces. Therefore the machine for HSM makes use of a compact architecture, as symmetrical as possible, where the moving parts are as few in number as possible and as light as possible; but at the same time sufficiently rigid to ensure the precision and quality of finish required, with the maximum dynamics. The increase on the dynamic performance obtainable with traditional architecture, thanks to state-ofthe-art technology, is of the order of 2 to 3 times, while on architecture expressly conceived for high speed, you can use kinematic parameters up to ten times better Milling centre architecture for HSM As we have said, the architecture of the machine has a fundamental role in the study of dynamics, to minimise the inertial forces and to ensure the precision and final piece quality. According to a first macro-classification, we could divide machine tools into two main categories: Machines with Cartesian architecture, - Machines with parallel or hexapodal architecture Breton HSM 25

3 Possiamo dire che la prima categoria costituisce il 95-99% delle macchine oggi presenti e proposte sul mercato, mentre la seconda rappresenta un recente tipo di architettura di macchina concepita espressamente per alcune applicazioni nel campo dell Alta Velocità. Facendo riferimento solo alle macchine ad architettura cartesiana, possiamo distinguere al suo interno varie tipologie di architetture che possono ancora essere suddivise in due macro gruppi: Macchine banco fisso - Macchine a banco mobile Le quali a loro volta possono essere distinte in: Strutture C Strutture T Strutture montante (mobile o fisso) - Strutture a portale (mobile, tutto il portale/ solo la traversa, o fisso) - Strutture Box in Box È chiaro che ciascuna architettura si adatta maggiormente a certe tipologie di applicazione o settori d impiego piuttosto che ad altri e che i concetti dell Alta Velocità con opportuni dimensionamenti strutturali possono essere applicati a tutte le architetture. Tuttavia volendo fare una valutazione obbiettiva dobbiamo dire che le strutture che meglio si adattano ai concetti dell Alta Velocità sono quelle a portale con traversa mobile per le macchine mandrino verticale e quelle Box in Box per le macchine a mandrino orizzontale, in quanto presentano la migliore simmetria strutturale sia rispetto alle forze di lavoro che alle dilatazioni termiche e la maggiore riduzione e costanza di masse in movimento, quindi migliore dinamica. Z Y X We can say that the first category includes 95-99% of the machines present and offered on the market today, while the second represents a recent type of machine architecture conceived expressly for some applications in the field of high speed. Looking only at the machines with Cartesian architecture, we can distinguish within the category various types of architecture, that could be sub-divided in two macrogroups: Machines with fixed table - Machines with moving table These can, in turn, be divided into: C-shaped structures T-shaped structures Upright structures (moving or fixed) - Gantry structure (moving, the whole gantry / only the cross piece, or fixed) - Box in box structures. It is obvious that each style of architecture is more suitable for a certain type of application or sector of use than for others, and that the concepts of high speed milling with suitable structural dimensioning can be applied to all architecture. However, if we wish to make an objective evaluation, we must say that the structures that are best suited to the high speed concepts are those of the gantry type with moving bridge for machines with a vertical electrospindle, and the Box in box style for the machines with horizontal electrospindle. This is because they have a better structural symmetry both with respect to the work forces and to thermal expansion and greater reduction and constancy of masses in movement, and so better dynamics. Y Z X X Y Z Z Y Y Z Y Z X X X Breton HSM 26

4 Bisogna considerare che l architettura della macchina influisce oltre che sulle prestazioni specifiche della stessa anche su altri aspetti collaterali,ma non di secondo piano, quali ad esempio l accessibilità all area di lavoro e quindi sulla facilità di caricamento e piazzamento del pezzo, sulla sicurezza e sull impatto ambientale. Fattori questi che pur non essendo direttamente legati al risultato della lavorazione, influiscono direttamente sia sul ciclo produttivo che sull organizzazione dell officina Componenti che caratterizzano una macchina ad Alta Velocità Struttura La struttura delle macchine per lavorazioni ad Alta Velocità deve garantire la massima dinamica degli assi unitamente alla rigidezza necessaria per le lavorazioni e ad una notevole capacità di smorzamento delle vibrazioni. Le strutture mobili devono essere quindi il minor numero possibile ed al tempo stesso contenute e con azionamenti baricentrici. Ecco quindi che la struttura a portale con ponte mobile si presenta come una delle strutture più idonee, se non la più adatta, per le applicazioni di Alta Velocità. La trave, anche se il carro è tutto ad una estremità, grazie alla movimentazione tipo gantry, presenta una spinta perfettamente bilanciata e le deformazioni a cui è sottoposta durante il movimento o la lavorazione sono inferiori rispetto ad una soluzione con trave a sbalzo o a montante mobile. Anche per quanto riguarda l influenza delle dilatazioni termiche sulla precisione del pezzo lavorato la soluzione a portale verticale minimizza l errore; ad esempio, la dilatazione in altezza delle spalle viene compensata dalla dilatazione in senso opposto del canotto. Per combinare rigidezza con pesi contenuti si è sempre più orientati verso l impiego di strutture in acciaio elettrosaldato opportunamente centinate. Per il basamento, che oltre ad avere la funzione di sostegno di tutta la macchine ha anche quella di smorzatore delle vibrazioni che dall utensile attraverso la struttura si trasmettono al pezzo, oggi vengono introdotte soluzioni innovative come quelle di realizzarlo direttamente in conglomerato polimerico oppure con struttura combinata in carpenteria di acciaio elettrosaldato riempita di conglomerato polimerico. Azionamento assi Nel concetto di macchina per lavorazioni ad Alta Velocità l azionamento degli assi è un sistema che non può essere avulso dal controllo numerico che gestisce la macchina. Vista l elevata dinamica richiesta alle macchine HSM e quindi l elevata banda passante di tutto il sistema di controllo e movimentazione dell asse, la quantità ed il tipo di informazioni che devono essere scambiate nella catena di comando e controllo sono tali per cui è fondamentale che la tecnologia su cui deve essere basato tutto il sistema sia quella digitale. We should bear in mind that the architecture of the machine not only has an influence on its specific performance but also on collateral aspects, which are no less important, such as the accessibility of the work area, for example, and thus the ease of lading and positioning the piece, on safety and on the impact on the environment. Although these factors do not directly affect the result of working, they directly influence the production cycle and the organisation of the factory Components that are characteristic of a high speed machine Structure The structure of the machine for high speed milling must ensure maximum dynamics of the axes, together with the stiffness necessary for working, and a considerable capacity to dampen vibrations. There must be as few moving structures as possible, and at the same time, be compact and with barycentric mechanisms. That is why the gantry structure with moving bridge is one of the most appropriate structures, if not the most ideal, for high speed applications. The beam gives a perfectly balanced thrust, even if the carriage is right at one end, thanks to the gantry-type movement. Also the deformation to which it is subject during the movement or working inferior compared to a design with an overhanging beam or with moving upright. Also with regard to the influence of thermal expansion on the precision of the milled piece, the vertical gantry design minimises the error since, for example, the vertical expansion of the columns is compensated for by the expansion in the opposite direction of the tailstock. To combine stiffness with a reduced weight, the trend has been towards the use of structures in electro-welded steel, suitably centred. The base, as well as acting as a support for the whole machine, also has to dampen the vibrations that is retransmitted from the tool through the structure to the piece. And so there are now available innovative solutions, such as to make the base directly in polymer conglomerate, or with a combined structure of electro-welded steel filled with polymer conglomerate Axis drive In the design of machines for high speed milling, the axis drive is a system that cannot be detached from the numerical control that controls the machine. Given the high dynamics required by the HSM machines, and the high band-pass of the whole system for controlling and moving the axis, the quantity and type of information that must be exchanged in the control and monitoring chain, it is essential that the technology on which the whole system is based is digital. Breton HSM 27

5 CNC Azionamento Drive Motore Motor Organo condotto Actuator Trasd. velocità Speed transd. Trasd. posizione Position transd. Fig. 30: Schema della catena di comando e controllo di un asse Fig. 30: Illustration of the chain of control and monitoring of an axis Come risulta evidente dallo schema, in tempi molto ridotti As you can see from the diagram, in a very short space (dell ordine di millisecondi) i dati che devono essere of time (of the order of milliseconds) the amount of data scambiati tra CNC, azionamento motore e trasduttori that must exchanged between CNC, motor drive and sono elevatissimi e solo con informazioni di tipo numerico transducers is very high. Only with numerical type information is it possible to correct in the best way the beha- è possibile correggere in modo ottimale il comportamento di ciascun componente in modo da raggiungere le viour of each component in order to reach peak performances on the piece being worked. massime performances sul pezzo in lavorazione. In questi ultimi tempi si è lavorato molto anche sul In recent years, a lot of work has been done on the miglioramento delle funzionalità di rigidezza e rapidità di improvement of the functions of stiffness and rapidity of risposta di tutto l asservimento. Grazie alla tecnologia response of the whole server unit. Digital technology has digitale, che ha permesso di ampliare moltissimo sia la allowed us to greatly increase both the quantity and the quantità che il tipo di informazioni trasmesse tra CNC ed type of information transmitted between TNC and drive. azionamento, si sono potuti realizzare algoritmi di regolazione specifici per l Alta Velocità in modo da ampliare la cifically for high speed in order to increase the band-pass Thus we have been able to create control algorithms spe- banda passante del sistema controllo-azionamento motore e poter impostare via software reti correttrici persona- up through software, correcting networks tailored to the of the control system - drive-motor, and to be able to set lizzabili sulla specifica applicazione in modo tale da poter specific application, in order to be able to ensure maximum continuity of control. garantire la massima continuità del comando. Avere continuità di comando nella descrizione di una Having continuity of control in describing the path means traiettoria significa minimizzare le accelerazioni e le variazioni di accelerazione e quindi le oscillazioni indotte sulla tion, and so the oscillations induced on the machine, all minimising the accelerations and variations of accelera- macchina, tutto a vantaggio della velocità di esecuzione, of which improves the speed of execution, precision and precisione e qualità di finitura superficiale del pezzo. quality in surface finish of the piece. Elettromandrino Electrospindle Nelle lavorazioni ad Alta Velocità gli elettromandrini svolgono un ruolo molto importante in quanto sono l elementant role to play since they are the element that combi- In high speed milling, the electrospindle have an importo che deve riuscire a compendiare elevata velocità di nes high rotation speed, absence of vibrations, sufficient rotazione, assenza di vibrazioni, sufficiente coppia ai bassi torque at low revs, great stiffness and thermal stability. numeri di giri, elevata rigidezza e stabilità termica. In traditional machine tools, the spindle consisted of a Nelle macchine utensili tradizionali il mandrino era costituito da un gruppo rotante mosso da una serie di ingra- change and powered by a three-phase motor. Such elec- rotating unit driven by a series of gears with mechanical naggi con cambio meccanico ed azionato da un motore trospindles could supply high torque at low revs, being trifase. Mandrini siffatti potevano fornire elevate coppie able to use all the power of the motor at constant torque di lavoro a bassi giri, potendo sfruttare tutta la potenza combined with a suitable reduction ratio obtained with del motore a coppia costante unita ad un opportuno rapporto di riduzione ottenuto con il cambio. La loro grande reach a high number of revs. Their limit was 8000, or a the gears. Their big drawback was not to be able to limitazione era di non poter raggiungere un elevato maximum of revs. At this speed, there were considerable problems of heating of the gear unit, and so of numero di giri, il loro limite era di massimo giri, ed a queste velocità presentavano notevoli problemi the whole RAM, with consequent wear of these and di riscaldamento del gruppo ingranaggi, quindi di tutto il thermal drift of the machine. RAM con conseguente usura degli stessi e derive termi- The technological development of components, such as Breton HSM 28

6 che della macchina. Lo sviluppo tecnologico di componenti, quali ad esempio cuscinetti ibridi, motori trifase con azionamenti vettoriali, sistemi di lubrificazione, ecc... ha permesso agli elettromandrini di svilupparsi notevolmente e porsi oggi come elemento fondamentale nelle macchine utensili per lavorazioni ad Alta Velocità. Andiamo adesso ad esaminare l elettromandrino da due punti di vista: quello prestazionale e quello costruttivo. Dal punto di vista prestazionale l elemento discriminante per l elettromandrino è il grafico di coppia / potenza. hybrid bearings, three-phase bearings with vector action, lubrication systems, etc. has allowed electrospindle to be notably developed, and to be considered as one of the fundamental parts of the machine tool for high speed milling. Let s move on to consider the electrospindle from two points of view: the performance and the construction. From a performance standpoint, the discriminating element for the electrospindle is the torque/power graph. C (Nm) PL P (kw) S6 S1 Fig. 31: Curva caratteristica di un elettromandrino Un elettromandrino per Alta Velocità deve avere una coppia continuativa costante sufficientemente elevata, normalmente parte da Nm per arrivare fino ai Nm, da velocità praticamente nulle fino al punto in cui raggiunge la potenza costante detto anche Punto Leonard. Questo punto è infatti il punto in cui il motore fornisce le massime prestazioni in termini di coppia e potenza. Il punto Leonard può variare in funzione della costruzione del motore e quindi delle caratteristiche che deve avere l elettromandrino. Normalmente varia da rpm per elettromandrini che forniscono una elevata coppia ai bassi giri, a rpm per elettromandrini che mantengono una coppia costante fino ad elevate velocità. La velocità massima degli elettromandrini per Alta Velocità va dai rpm per arrivare fino a rpm in funzione delle applicazioni. Per dare un idea dei campi d impiego ottimali degli elettromandrini potremo definire la seguente classificazione. S (rpm) Fig. 31: Characteristics curve for a electrospindle An electrospindle for high speed milling must have a constant continuous torque which is sufficiently high, normally starting at Nm and going up to Nm, with a speed of virtually nothing up to the point where it reaches a constant power, also known as the Leonard Point. This point is in fact the point where the motor provides maximum performance in terms of torque and power. The Leonard Point can vary depending on the construction of the motor, and so on the specifications that the electrospindle must have. Normally, it varies from 1000 to 1500 rpm, for electrospindle that provide high torque at low revs, to 4000 to 5000 rpm for electrospindle that maintain a constant torque up to a high speed. The maximum speed of electrospindle for high speed work varies from rpm up to or rpm, according to the applications. To give an idea of the optimal ranges of use of the electrospindle, we could lay down the following classification. Breton HSM 29

7 Coppia Continuativa (Nm) Velocità (rpm) Massima Applicazione Alta Velocità Lavorazioni ad Elettromandrino grado di eseguire universale sgrossatura in di dità potenza di passata su acciaio 3-4 mm) (profontura. Ottimo anche per lavorazioni su tutti gli altri e fini- materiali Elettromandrino tura con passate per ridotte sgrossa- acciaio (profondità di passata su 1-2 minio mm), ed altri universale materiali per più allu- teneri superfinitura. in grado di eseguire Elettromandrini operazioni di superfinitura, specifici per lavorazione grafite. di leghe leggere e Continuous (Nm) torque Maximum (rpm) speed ApplicationHigh speed working Universal electrospindle able to carry out powered roughmachining on steel (depth of run 3-4 mm) and finishing. Also ideal for working on all other materials. electrospindle for rough-machining with limited runs on steel (depth of pass 1-2 mm), universal for aluminium and other softer materials able to carry out superfinishing. electrospindles specifically for superfinishing operations, work on light alloys and graphite. Fig. 32: Campi di applicazione elettromandrini Altra cosa molto importante nella definizione dell elettromandrino è il Fattore di Servizio indicato generalmente con la lettera S seguita da un numero che può essere 1, 3 o 6. Il fattore di servizio indica praticamente il tipo di utilizzo per cui è stato dimensionato l elettromandrino, in particolare: S1 = Servizio continuo, indica che l elettromandrino può fornire le caratteristiche indicate dalle curve lavorando senza interruzione ventiquattro ore su ventiquattro. S3 = Servizio intermittente al 30%, indica che l elettromandrino può fornire le caratteristiche indicate dalle curve lavorando continuativamente con un ciclo in cui il mandrino è impegnato solo per il 30% del tempo. S6 = Servizio intermittente al 60%, indica che l elettromandrino può fornire le caratteristiche indicate dalle curve lavorando continuativamente con un ciclo in cui il mandrino è impegnato solo per il 60% del tempo. Questo fa capire che quando si leggono le prestazioni di una macchina, bisogna fare molta attenzione a come i dati vengono forniti, perché è chiaro che le prestazioni di un servizio S3 saranno sicuramente superiori a quelle di un servizio S1, però bisogna che la macchina poi lavori realmente in S3, altrimenti il mandrino si deteriora rapidamente. Dal punto di vista costruttivo possiamo considerare l elettromandrino costituito fondamentalmente dai seguenti gruppi: Corpo esterno Motore (Rotore-Statore) Cuscinettamento Gruppo di bloccaggio-sbloccaggio utensile - Tenute Fig. 32: Application fields of electrospindles Another very important factor in defining the electrospindle is the Service factor, generally indicated with the letter S followed by a number, which can be 1,3 or 6. In practice, the service factor shows the type of use for which the electrospindle has been designed, thus: S1 = Continuous service, indicates that the electrospindle can provide the characteristics indicated by the curves, working without interruption 24 hours a day. S3 = 30% intermittent service, indicates that the electrospindle can provide the characteristics indicated by the curves, working continuously with a cycle in which the electrospindle is only used for 30% of the time. S6 = 60% intermittent service, indicates that the electrospindle can provide the characteristics indicated by the curves, working continuously with a cycle in which the electrospindle is only used for 60% of the time. This shows you that when you read the performance ratings for a machine, you have to pay close attention as to how the data is supplied. It is clear that the performance of a service rated S3 will definitely be higher than that of one rated S1. However it is necessary for the machine to actually work in S3, otherwise the electrospindle will deteriorate rapidly. From a constructional point of view, we can consider the electrospindle as constructed of the following units: External body Motor (Rotor-Stator) Bearings Tool-holding - release unit - Seals Breton HSM 30

8 Il corpo esterno costituisce la The external body consists of struttura portante dell elettromandrino mediante la quale viene electrospindle, to which the the support structure of the riferito e fissato alla macchina. machine is fixed. Inside is Al suo interno viene realizzato installed the thermostatic control circuit that is used to keep il circuito di termostatazione che serve per mantenere l elettromandrino a temperatura stant temperature, by dissipa- the electrospindle at a con- costante smaltendo il calore ting the heat produced by the prodotto dal motore e dagli altri motor and by the moving organi in movimento, evitando parts, thus avoiding expansion dilatazioni e variazioni dimensionali dello stesso, garantendo sions, and so ensuring greater and variations in its dimen- quindi una maggiore precisione precision during working. durante la lavorazione. The motor is the component Il motore è il componente che that determines the performance of the electrospindle. determina le prestazioni dell elettromandrino. Lo statore viene The stator is fixed to the inside fissato all interno del corpo dell elettromandrino, mentre il while the rotor is keyed onto of the electrospindle body, rotore viene calettato sull albero. the shaft. The shaft rotor unit Il gruppo rotore albero è uno dei is one of the most critical components to be built, since the componenti più critici da realizzare in quanto il collegamento mechanical connection meccanico tra i due componenti between the two components deve essere in grado di garantire, must be able to ensure, with con margini di sicurezza elevati, high safety margins, the transmission of all the power pro- la trasmissione di tutta la potenza fornita dal motore sull utensile in lavorazione senza Tenute when working, without any vided by the motor to the tool possibilità di slittamento. Seals frontali chance of it slipping. At the Al contempo, viste le elevate same time, given the high rotation speed, it must be perfectly velocità di rotazione, deve essere perfettamente equilibrato garantendo l assenza di Fig. 33: Spaccato di elettromandrino balanced, to ensure the absence of vibration, which could Cutaway illustration of electrospindle vibrazioni, che risulterebbero damage the electrospindle dannose per lo stesso elettromandrino, portando i cuscinetti ad un rapido deterioramento, e per la qualità finale the final quality of the working. The housing for the tool- itself, causing the bearings to wear fast, and to ensure della lavorazione. Nella parte anteriore dell albero è ricavata la sede per l alloggiamento del cono portautensile. The bearing fulfils two functions: support cone is built into the front part of the shaft Il cuscinettamento assolve fondamentalmente due compiti: - ensuring the shaft rotates at an adequate speed - garantire l adeguata velocità di rotazione dell albero with the required stiffness and geometrical precision, con la dovuta rigidezza e precisione geometrica. and free of play and vibration, garantire assenza di giochi e vibrazioni - ensuring an adequate resistance to the stresses of - garantire l adeguata resistenza agli sforzi di lavorazione. working. Nell applicazioni per Alta Velocità oggi vengono utilizzati In high-speed applications today, hybrid bearings are cuscinetti ibridi con sfere in ceramica e piste in acciaio used, with ceramic balls and steel races, to ensure per garantire prestazioni di velocità e carico notevolmente ratings for speed and load that are considerably higher superiori ad equivalenti cuscinetti di tipo tradizionale. than equivalent bearings of the traditional type. The bearings are lubricated for life with special grease, or with I cuscinetti sono lubrificati a vita con grassi speciali oppure con nebulizzazione di aria-olio. Il gruppo di bloccaggiosbloccaggio utensile nella sua semplicità può essere visto The tool locking-unlocking unit, in its simplicity, can be air-oil atomisation. come un altra macchina all interno dell elettromandrino. seen as another machine inside the electrospindle. Fixed Solidale in rotazione con il gruppo albero-rotore, ma scorrevole al suo interno, è costituito nella parte anteriore dalla is fitted in the front of the grippers for holding the tool- to rotate with the shaft-rotor unit, but moving inside it, it pinza di presa del cono portautensile azionata in chiusura support cone, activated for closing by a cup-spring unit. da un gruppo di molle a tazza. Nella parte posteriore presenta il cilindro idraulico di sbloccaggio ed il distributore cylinder and the rotary distributor, that allows liquid to run Meanwhile the rear part houses the hydraulic release rotante che permette di far passare al suo interno il liquido into the interior to cool the tool and the air to clean the per la refrigerazione utensile e l aria per la pulizia del cono. cone. Breton HSM 31 Tool (high internal and low coolant pressure) entry Tool coolant external entry Spindle coolant exit Spindle coolant entry

9 Generalmente nella impostazione di un elettromandrino si è quasi portati a dimenticare il gruppo delle tenute, in quanto come primo impatto si dà principalmente importanza agli aspetti di dimensionamento elettro-meccanico. Il gruppo tenute invece, anche se in sordina, è quello che è preposto a garantire l affidabilità dell elettromandrino durante la sua vita operativa. I nemici principali di questo componente sono infatti l acqua e lo sporco che possono penetrare al suo interno sia dalla parte anteriore che da quella posteriore, attraverso gli interstizi naturalmente presenti tra parte fissa e parte rotante. Ogni costruttore ha sviluppato delle proprie soluzioni, ma fondamentalmente due sono i concetti da tenere presenti: - Centrifugazione verso l esterno dei liquidi che vengono in contatto con le parti rotanti. - Pressurizzazione dell interno dell elettromandrino in modo tale che ci sia un continuo flusso di aria verso l esterno del gruppo e quindi si eviti l ingresso di aria umida e comunque sporca. Controllo Numerico Generally in setting up the electrospindle, it is easy to almost forget the unit of seals, since we primarily consider the electro-mechanical design aspects to be more important. The seal unit however, even if it is less important, is designed to ensure the reliability of the electrospindle during its operational life. The main causes of problems for this component are water and dirt that can penetrate inside it, both at the front and at the back, through the gaps naturally present between the fixed part and the rotating part. Each manufacturer has developed its own solutions, but basically there are two concepts to consider: - Centrifugal forces towards the outside of liquids that come into contact with the rotating parts, - pressurisation of the inside of the electrospindle so that there is a continuous flow of air towards the outside of the unit, and so humid air and any dirt is prevented from entering. Numerical control Le lavorazioni ad Alta Velocità non esigono solo un più High speed milling does not only require a fast movement of the axes or a faster rotation of the electrospind- rapido spostamento degli assi od una più veloce rotazione del mandrino, ma soprattutto una serie di specifiche funzioni software ed un rapidissimo scambio di dati tra le very fast interchange of data between the various units le, but also a series of specific software functions and varie unità del controllo numerico che prendono parte alla of the numerical control that take part in the running both gestione sia della macchina che della lavorazione. of the machine and of the working. Eseguire lavorazioni ad Alta Velocità significa, per il controllo numerico, riuscire a combinare le esigenze di preci- control, being able to combine the requirements for pre- Carrying out high-speed work involves, for the numerical sione richieste con quelle di una rapida esecuzione. cision with that of rapid execution. Nella programmazione tradizionale di una traiettoria, la In traditional programming of a path, the geometric curve curva geometrica del profilo è approssimata da segmenti of the profile is approximated by linear segments, at the lineari, all estremità di ciascuno dei quali il CNC deve far end of each of which the CNC must slow down and rallentare e cambiare bruscamente la velocità e la direzione di movimento dell utensile per rimanere all interno ment, to stay within the tolerances allowed for the profile change abruptly the speed and direction of tool move- della tolleranza assegnata al profilo da eseguire. Per fare to be produced. To do this, the CNC uses inside it some questo il CNC utilizza al suo interno alcune funzioni quali functions such as the kv, the gain of the axes, the Feed ad es. i Kv, i Guadagni degli assi, il Feed Forward ecc... Forward, etc. While the kv and the gain are parameters Mentre Kv e Guadagni sono parametri definiti per ottimizzare le caratteristiche globali di macchina e controllo, il and control, the Feed Forward is a function that triggers defined to optimise the overall characteristics of machine Feed Forward invece è una funzione che interviene dinamicamente durante l esecuzione del pezzo. Questa regola This automatically controls the speed of the axes accor- dynamically during the execution of the piece. automaticamente la velocità degli assi in funzione della ding to the path to be followed, making sure that the profile produced is always within the required tolerances. traiettoria da seguire facendo sì che il profilo eseguito rimanga sempre dentro la tolleranza richiesta. As a simple example, we can consider the execution of a Come semplice esempio possiamo prendere in considerazione l esecuzione di uno spigolo. corner. Near the corner, due to the inertia In prossimità dello spigolo a causa B C of the machine and the response dell inerzia della macchina e dei time of the electronics, without any tempi di risposta dell elettronica, control, the profile could be that senza nessun controllo il profilo percorso sarebbe quello evidenziato in on the profile of the piece would shown in red, and the error made rosso e l errore commesso sul profilo del pezzo risulterebbe veramen- order of some millimetres. be really excessive, even in the te eccessivo, anche dell ordine di Fig. 34: Schema di funzionamento del Feed Forward The Feed Forward in this case, by qualche millimetro. Il Feed Forward Feed forward checking the error made in its path, in questo caso, controllando l errore A operating mode according to the gains and the kv Breton HSM 32

10 commesso sulla traiettoria, in funzione dei guadagni e dei Kv impostati, calcola la velocità massima ammissibile lungo la traiettoria per far sì che l errore del profilo rimanga nella tolleranza stabilita. In questo caso otterremo il profilo azzurro. Questa funzione è fondamentale nelle operazioni di semifinitura e finitura per garantire la precisione del profilo richiesta, mentre nelle operazioni di sgrossatura può essere disattivata per privilegiare la velocità di esecuzione della lavorazione. L approssimazione di curve mediante profili discontinui mette in evidenza, oltre alla precisione di esecuzione del profilo, altri problemi legati alla dinamica della lavorazione. Infatti ogni brusco cambiamento di traiettoria significa anche brusca variazione di velocità e di accelerazione, che si traducono in sollecitazioni della macchina che a loro volta incidono sia sulla durata degli organi cinematici della macchina stessa, sia sulla qualità di finitura del particolare. Per compensare questi fenomeni sui moderni CNC per Alta Velocità è stata introdotta la funzione di Jerk Control ossia di controllo della variazione dell accelerazione. Questa funzione, durante il cambio di traiettoria, permette di ottenere l applicazione dell accelerazione non più in modo repentino, ma graduale. Nella figura successiva si illustrano graficamente i due diversi sistemi di controllo. set, calculates the maximum speed permissible along the path to ensure that the error on the profile stays within the tolerances established. In this case, we would obtain the profile shown in blue. This function is fundamental in the operations of semifinishing and finishing to ensure the precision of the required profile, while in rough-machining operations, it can be deactivated to improve the speed of execution of the work. The approximation of curves through discontinuous profiles shows up, as well as precision in executing the profile, other problems connected with the dynamics of working. In fact, any brusque change in the path, also means sharp changes in speed and acceleration, that leads to stress on the machine, which in turn affects the lifespan of the kinematic parts of the machine itself, and the finished quality of the part. To compensate for these phenomena, on the modern high-speed CNC a function called jerk control has been introduced to control the variations in acceleration. This function, during changes in path, allows the acceleration to be made gradually, instead of suddenly, as it used to be. In the illustration below, the two different control systems are shown. Velocità Feed Accelerazione Acceleration Tempo / Time Tempo / Time Velocità Feed Accelerazione Acceleration Tempo / Time Tempo / Time Jerk Tempo / Time Jerk Tempo / Time Controllo senza Jerk Control Control without Jerk Control Fig. 35: Confronto tra controllo senza / con Jerk Control Comparison between without / with Jerk Control Controllo con Jerk Control Control with Jerk Control Breton HSM 33

11 Nell operazione di finitura di superfici sculturate è molto importante che le traiettorie generate dal controllo numerico in entrambi i sensi di lavorazione siano il più uguali possibile perché altrimenti si possono generare errori sul profilo ben visibili anche all occhio umano. Se una traslazione della traiettoria nel piano X-Y è generalmente poco avvertibile ed influente per la finitura del pezzo non è altrettanto vero per una traslazione nel piano verticale. La finitura corretta di una superficie deve presentare infatti tutta una serie di solchi paralleli e di uguale larghezza per entrambe le direzioni di lavorazione. Se le tarature degli assi non sono corrette o le traiettorie generate non sono uguali si noteranno sulla superficie i cosiddetti incroci che in realtà derivano dalla diversa altezza di lavoro dell utensile in punti adiacenti. In the finishing operations for sculptured surfaces, it is very important that the paths generated by the numerical control, in both working directions, are as equal as possible, since otherwise errors can be generated on the profile, which are easily visible, even to the naked eye. If a translation of the path in the X-Y plane is generally hardly noticeable and influential on the finish of the piece, the same is not true for a translation in the vertical plane. The correct finish of a surface must in fact have a series of parallel grooves and equal width for both the working directions. If the settings of the axes are not correct or the paths generated are not equal, you will notice surfaces that are known as crossed, that in fact derive from the different working heights of the tool in adjacent points. D H P Fig. 36: Profondità di passata ed incroci nella finitura P Fig. 36: Depth of run and crosses in finishing Se P è piccolo rispetto a D, si può considerare H = P 2 /(4*D). Con questa formula si può quindi calcolare con buona approssimazione anche l errore commesso in Z. Per quanto finora detto, la generazione di traiettorie continue ed uguali per punti adiacenti è fondamentale nei controlli numerici per Alta Velocità. Per ottenere questo, secondo la tradizionale logica di approssimazione, si cerca quindi già dal CAM di avere il maggior numero di punti possibili che approssimino la curva. Questo fa sì che il volume di dati che deve essere scambiato all interno delle unità che sovrintendono il controllo della macchina è enorme e la capacità del CNC di scambiare dati più o meno velocemente influisce direttamente sulle prestazioni della macchina. Fig. 37: Approssimazione cordale di una traiettoria If P is small compared to D, you can take H = P 2 /(4*D). With this formula, you can then calculate with a good approximation even the error committed in Z. As far as we have said, the generation of continuous runs, equal for adjacent points, is fundamental in the numerical controls for high-speed milling. To obtain this, according to traditional approximation logic, we therefore try to get from the CAM the highest number of points possible that approximate to the curve. This means that the volume of data that must be exchanged within the unit that supervises the control of the machine is enormous, and whether the CNC has the capacity to exchange data fast or not directly influences the performance of the machine. Traiettoria reale / Real path Traiettoria approssimata dal CNC / CNC approximate path Tolleranza superiore alla traiettoria / Max. path tolerance Tolleranza inferiore alla traiettoria / Min. path tolerance Errore cordale / Chordal error Fig. 37: Example of chordal approximation on a path Breton HSM 34

12 Al fine di fare una esemplificazione basta pensare che per In order to take an example, it is enough to remember ottenere una buona finitura superficiale, evitare sfaccettature visibili, segni di vibrazione sul pezzo e mantenere ting, signs of vibration on the piece, and so keep high that to obtain a good surface finishing, avoid visible face- quindi un elevata precisione e finitura del particolare la risoluzione deve essere molto alta, valori tipici di distanza tra very high. Typical values for the distance between the precision and finish of the part, the resolution must be due punti vanno da 2 a 20 µm e quindi il numero di blocchi two points vary from 2 to 20 µm, and so the number of che il CNC deve eseguire è elevatissimo. blocks that the CNC must carry out is very high indeed. Considerando che il tempo minimo per l esecuzione di un Considering that the minimum time to carry out one blocco per i moderni CNC si aggira intorno ad 1 ms (un block for modern CNC s is about 1 ms (one millisecond) millisecondo) e che un blocco consiste di circa 250 bit i and that a block consists of about 250 bits, the data that dati che devono essere scambiati all interno del CNC must be exchanged inside the CNC are 250,000 bits/sec. sono di bit/s. Ridurre il carico di lavoro del CNC ed ottenere la migliore Reducing the work load on the CNC and obtaining the approssimazione possibile della curva è quindi un obbiettivo molto importante da raggiungere. Per questo motivo most important objective to be reached. For this reason, best possible approximation of the curve is therefore a ultimamente si sta affermando sempre più nei CNC l utilizzo di funzioni matematiche denominate NURBS (Non functions called NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline) recently more and more often in the CNC, mathematical Uniform Rational B-Spline). Senza entrare nella trattazione are used. Without going into this too deeply, but just to rigorosa dell argomento, ma comunque per capire il loro help understand the way it operates, we can say that modo di funzionamento si può dire che data una serie di given a series of points along a path, and therefore punti lungo una traiettoria è definito quindi anche il poligono che approssima la traiettoria stessa, la generazione itself, the generation of the NURBS that reconstructs the having defined the polygon that approximates the path della NURBS che ricostruisce la curva è legata per ogni curve is joined for each point of the dotted line to two punto della spezzata a due parametri fondamentali: fundamental parameters: the node il nodo Ki ed il peso Ri. La funzione del nodo è quella di Ki and the weight Ri. The function of the node is to guide the interpolation on guidare l interpolazione sulla curva, ovvero gestire in the curve, or in other words, suitably managing the distribution of the nodes allows a better description of the modo opportuno la distribuzione dei nodi permette una miglior descrizione della curva, mentre il peso descrive curve, while the weight describes how much each point, quanto ogni punto e quindi ogni nodo è in grado di attrarre and so each node, is able to pull in the curve itself. la curva stessa. È facile quindi intuire che algoritmi che It is easy to understand therefore that algorithms that distribuiscano nodi ed attribuiscano pesi in modo opportuno, riescano a generare una curva continua molto aderen- to generate a continuous curve which is very close to the distribute nodes, and suitably attribute weights, manage te a quella reale. Infatti un importante caratteristica delle real one. In fact, an important characteristic of the NURBS sta proprio nel fatto di riuscire a generare curve NURBS is actually the fact that it manages to generate che si adattano morbidamente al poligono di controllo. curves that adapt easily to the control polygon. From this Ne deriva quindi che l utilizzo di queste curve, generando you can deduce that the use of these curves, generating profili continui, limita automaticamente i Jerk e quindi le continuous profiles, limits automatically the jerks, and sollecitazioni sulla macchina migliorando la qualità di finitura superficiale del pezzo. the surface finishing of the piece. so the stresses on the machine, improving the quality of Rendere più veloce la macchina nell esecuzione delle We can make the machine faster in executing paths, as traiettorie, può essere ottenuto, oltre che aumentandone well as by increasing the calculation power, by allowing le potenzialità di calcolo, permettendo al controllo numerico di lavorare direttamente sulle curve NURBS utilizzate ves used by the CAM to generate work paths. By doing the numerical control to work directly on the NURBS cur- dal CAM per generare le traiettorie di lavorazione. this, it is possible to eliminate, for a certain execution Così facendo è possibile eliminare, per una determinata tolerance of the profile, a good number of NC programming blocks. tolleranza di esecuzione del profilo, un gran numero di blocchi di programmazione CN. In fact, by using the NURBS directly, the CNC will carry Infatti utilizzando direttamente le NURBS, il CNC gestirà out a mathematical function and no longer a series of very una funzione matematica e non più una serie di segmenti small segments that approximate the same function, in piccolissimi che approssimano la stessa funzione a loro turn, to be interpolated. volta da interpolare. Since NURBS technology is based on non-linear movements, the tool paths thus generated have continuous Poiché la tecnologia NURBS si basa su movimenti non lineari, i percorsi utensili così generati hanno transizioni continue e quindi il transitions, and therefore the CNC maintains interpolation speed, accelerations and decelerations which are CNC mantiene velocità d interpolazione, accelerazioni e decelerazioni significativamente più elevate rispetto al metodo con significantly higher compared to the method with chordial approssimazione cordale della traiettoria evitando nel contempo approximation of the path, at the same time avoiding forti variazioni delle forze di taglio e della dinamica dell utensile strong variations in the cutting forces and in the dynamics che si ripercuotono negativamente sia sulle condizioni di taglio of the tool that have a negative effect both on the cutting che sulla qualità del pezzo finito. conditions and on the quality of the finished piece. Breton HSM 35

13 L incremento di produttività può variare dal 20% al 50% e migliore è il livello qualitativo della meccanica della macchina migliore è la precisione dimensionale, geometrica e la finitura superficiale del pezzo. Attraverso la tecnologia NURBS oltre ai dati della traiettoria è possibile programmare anche la velocità di taglio e di rotazione del mandrino in modo tale da mantenere lungo il percorso condizioni di taglio ottimali. Nella figura seguente viene messa a confronto la velocità di avanzamento in lavorazione con programmazione NURBS rispetto a quella ottenibile con programmazione convenzionale. Come si può notare la programmazione NURBS, generando movimenti continui, dà luogo a condizioni di taglio ottimali e minori sollecitazioni dinamiche sulla macchina e sull utensile, che si traducono in una migliore qualità del pezzo lavorato. Increase in productivity can vary from 20% to 50%. The better the level of quality of the mechanics of the machine, the better is the dimensional precision, geometry and the surface finishing of the piece. Through NURBS technology, as well as the data of the path, it is possible to also program the cutting speed and the electrospindle rotation speed, so as to maintain optimum cutting conditions along the path. In the following figure, the operational feed speed with NURBS programming is shown compared to that obtainable with conventional programming. As you can see, the NURBS programming, by generating continuous movements, gives rise to optimum cutting conditions and less dynamic stress on the machine and on the tool, which means better quality of the finished workpiece. Avanzamento Feed Blocchi / Blocks CN Programmazione NURBS / NURBS programming Programmazione convenzionale / Standard programming Fig. 38: Avanzamento della macchina con i due Fig. 38: Machine feed with the two types of tipi di programmazione programming Altra funzione del CNC molto importante nella esecuzione di superfici sculturate ad alta velocità e la funzione di Look Ahead. Questa permette al controllo numerico di analizzare in anticipo, rispetto alla loro esecuzione, un certo numero di blocchi di percorso utensile in modo tale da poterne ottimizzare l esecuzione. Nelle lavorazioni ad Alta Velocità è fondamentale che i controlli numerici abbiano una funzione di Look Ahead potente, capace di analizzare molti blocchi CN e che quindi riescano a capire il tipo di traiettoria che la macchina dovrà percorrere ed ottimizzare sia il percorso che i parametri dinamici per garantire le tolleranze richieste. Oggi i controlli più evoluti riescono ad avere fino a 1024 blocchi di Look Ahead. Per sfruttare al massimo questa potenzialità è però importante che il controllo abbia anche una elevata potenza di calcolo per non rallentare le altre funzioni a cui deve sovrintendere. Altra funzione molto importante nelle lavorazioni ad Alta Velocità soprattutto se si utilizzano macchine a cinque assi continui è quella di TCPM (Tool Center Point Management). Breton HSM 36 Another very important function of the CNC in executing sculptured surfaces at high speed is the Look Ahead function. This allows the numerical control to analyse in advance, with respect to their execution, a certain number of tool path blocks so as to be able to optimise the execution. In high-speed milling, it is essential that the numerical controls have a powerful Look Ahead function, capable of analysing several NC blocks, and then manages to understand the type of path that the machine must travel and optimise both the path and the dynamic parameters to ensure the required tolerances are met. Today the most sophisticated controls can have up to 1024 Look Ahead blocks. To take maximum advantage of this potential, it is however important that the control also has a high calculation power so as not to slow down the other functions which it must supervise. Another very important functions in high-speed working, especially if machines with five continuous axes are used, is TCPM (Tool Centre Point Management).

14 Con questa funzione il controllo numerico riesce a mantenere il corretto orientamento tra utensile e pezzo anche durante la rotazione degli assi della testa o della tavola. Grazie a questa funzione è anche possibile impostare e mantenere angoli di contato tra utensile e pezzo diversi da quello corrispondente alla normale della superficie per ottimizzare le condizioni di taglio dell utensile e quindi migliorare il grado di finitura della lavorazione. Un utensile sferico infatti presenta al suo centro una velocità di taglio nulla che durante la lavorazione genera uno strappo del materiale con conseguente cattiva finitura del pezzo. Mantenere quindi l utensile non perpendicolare alla superficie, ma inclinato di un certo angolo (5-10 ) permette di evitare la zona di velocità nulla del tagliente e quindi avere una migliore finitura del pezzo e una maggiore velocità di avanzamento. With this function, the numerical control can maintain the correct orientation between tool and piece, even during the rotation of the axes of the head and the table. Thanks to this function, it is also possible to set and maintain angles of contact between tool and piece different from those corresponding to the norm for the surface, to optimise the cutting conditions for the tool, and so improve the finishing standard of the work. In fact, at the centre of a spherical tool the cutting speed is zero, and so during work this generates a tearing of the material with a resulting poor finishing of the piece. Therefore by keeping the tool off the perpendicular to the surface, but inclined at a certain angle (5-10 ), you can avoid the zone of zero cutting speed, and so have a better finishing for the piece and a higher feed. 15 Utensile Superficie normale normale alla Superficie superfice Tool perpendicular normale to the surface Utensile sfasato rispetto alla normale Tool angled to the normal Fig. 39: Esempio della funzione TCPM Struttura degli utensili per Alta Velocità Nella presente analisi come utensile consideriamo tutto ciò che partendo dal naso mandrino arriva a contatto con il pezzo da lavorare ed esegue l asportazione del truciolo. In particolare troveremo tre componenti: Il portautensile Il corpo dell utensile - Il tagliente Nel caso degli utensili integrali il corpo dell utensile ed il tagliente saranno un unico pezzo, mentre negli utensili con inserti riportati il collegamento tra inserto e corpo assume un importanza fondamentale nelle lavorazioni ad Alta Velocità. Fig. 39: Example of the TCPM function Structure of tools for high speed milling In this analysis, we are considering the whole tool, which starting from the spindle nose, comes into contact with the piece to be worked and removes the chip. We will find three components: The tool holder, The body of the tool, - The cutting edge In the case of integral tools, the body of the tool and the cutting edge are all one piece, while with tools that take an insert, the connection between insert and body has a fundamental importance for high-speed milling. Breton HSM 37

15 Il Portautensile Il portautensile è l elemento che nella catena ha il compito di assicurare la massima stabilità, rigidezza e precisione di collegamento tra il corpo dell utensile ed il mandrino, cioè la macchina utensile. Il portautensile può essere distinto fondamentalmente in due parti: l attacco al mandrino - la presa dell utensile Nelle macchine tradizionali l attacco più diffuso è l attacco di tipo ISO costituito fondamentalmente da un cono flangiato con all estremità posteriore un codolo di presa. The tool-holder The tool holder is the element which has the job of ensuring maximum stability, stiffness and precision for the connection between the body of the tool and the electrospindle, that is the machine tool. The tool holder can basically be divided into two parts: the connector to the electrospindle, - the gripper for the tool. In traditional machines, the most commonly used connector is the ISO type, which basically consists of a flanged cone with the hold at the bottom end. Fig. 40: Schema portautensile tipo ISO Il fissaggio di questo tipo di attacco all interno del naso mandrino viene effettuato da una pinza di presa che tira il portautensile dentro un cono femmina realizzato dentro l estremità dell albero del mandrino. Il riferimento e bloccaggio di questo cono viene ottenuto su due settori di cono uno all estremità anteriore ed uno all estremità posteriore. I limiti principali di questo tipo di attacco sono i seguenti: - Scarsa ripetibilità del posizionamento del portautensile nella sede dovuta al fatto che il riferimento è realizzato tra due superfici coniche. - Scarsa rigidezza di collegamento perché affidata unicamente all attrito di collegamento tra i due coni ed alla precisione geometrica di costruzione delle parti - Alle alte velocità di rotazione la pinza di presa per forza centrifuga tende ad allentarsi e quindi a far perdere ancor più rigidezza al collegamento. - Non sufficiente precisione geometrica di collegamento per la rotazione alle alte velocità. - Tendenza del portautensile ad incunearsi all interno della sede con impossibilità di estrazione in fase di cambio utensile automatico. Con l avvento delle macchine per lavorazioni ad Alta Velocità è stato introdotto un nuovo tipo di attacco, HSK, studiato appositamente per garantire nelle lavorazioni ad Alta Velocità la massima precisione geometrica di collegamento, la massima rigidezza e stabilità alle alte velocità, l assenza di incuneamenti del portautensile nella sua sede. Fig. 40: Illustration of ISO type tool-holder The fixing of this type of connector inside the electrospindle nose is carried out by a gripper that pulls the toolholder inside a female cone made inside the end of the shaft of the electrospindle. The reference and locking of this cone is achieved on two cone sectors, one at the front end and one at the back end. The main limitations of this type of connector are the following: - Difficulty in positioning of the tool holder in the same place, due to the fact that the reference point is made between two conical surfaces. - Poor stiffness of connection, since it relies only on the friction of connection between the two cones and on the geometrical constructional precision of the parts. - At high rotation speeds, the gripper tends to slacken due to the centrifugal force, and so lose even more connection stiffness. - Insufficient geometrical connection precision for high speed rotation. - Tendency by the tool holder to wedge itself inside the housing, making it impossible to remove in the automatic tool-changing phase. With the introduction of machine for high-speed milling, a new type of connector has been produced, the HSK, designed especially for high-speed work, to ensure maximum geometrical precision for the connection, maximum stiffness and stability at high speeds, and the tool-holder no longer becoming stuck inside its housing. Breton HSM 38

16 Fig. 41: Schema portautensile tipo HSK Come possiamo vedere l attacco tipo HSK a differenza dell ISO fa riferimento con la sua sede su un piano frontale che garantisce un ottima rigidezza ai momenti ribaltanti generati dalla forze di taglio, si centra su un riferimento cilindrico alla base del piano di appoggio, il che garantisce un ottima precisione geometrica nell accoppiamento, la pinza di presa agisce ad espansione all interno del cono nella sua parte finale facendola deformare fino a portarla in contatto con la sede e garantendo la necessaria coppia di attrito. La pinza di presa agendo ad espansione, in lavorazione, grazie alla forza centrifuga che si sviluppa, tende ancor più ad espandersi e quindi ad aumentare il serraggio del portautensile nella sua sede, contrariamente a quanto succede con l attacco tipo ISO. Oggi attacchi HSK di precisione possono garantire delle eccentricità di rotazione dell utensile rispetto alla sua sede di 3 µm per una lunghezza di tre-cinque volte il diametro dell utensile. Per capire la differenza sostanziale tra i due tipi di attacchi ad Alta Velocità dalla seguente tabella possiamo confrontare la percentuale di contatto tra cono e sua sede alle differenti velocità di rotazione tra un cono ISO ed uno HSK. Fig. 41: Diagram of HSK type tool-holder As you can see, the HSK type connector is different from the ISO in that it takes as a reference its housing on the front surface, which ensures optimum stiffness to the tilting moments generated by the cutting forces, centres itself on a reference cylinder at the base of the support surface. This ensures optimum geometrical precision when coupling, the gripper acts by expanding inside the cone at the end part, changing its shape so as to bring it into contact with the seating, and ensuring the necessary frictional torque. The gripper working by expansion, during machining, due to centrifugal force that develops, tends to expand even more, and so to increase the tightness of the tool-holder in its housing, as opposed to what happens with the ISO type connector. Today, the precision HSK can guarantee a rotation eccentricity for the tool with respect to its seating of 3 µm for a length of three to five times the diameter of the tool. To illustrate the substantial difference between the two types of high-speed connector, in the following table, you can compare the percentage of contact between cone and seating for the different rotation speeds, of the ISO cone and the HSK. Rotazione Mandrino Attacco ISO 40 Attacco HSK 50A electrospindle rotation ISO40taper HSK50Ataper Fig. 42: Confronto di percentuale di contatto tra cono ISO ed HSK Fig. 42: Comparison by percentage of contact between the ISO and HSK cones Breton HSM 39

17 Parlando di lavorazioni ad Alta Velocità si parla di lavorazioni nelle quali il regime di rotazione dell utensile può variare minimo dai giri fino ad arrivare ai giri. È evidente, in queste condizioni operative, l importanza dell equilibratura del gruppo utensile-portautensile per ottenere un ottima qualità della lavorazione finale. Occorre notare che per non danneggiare organi della macchina delicati, qual è ad esempio l elettromandrino, è importante avere utensili equilibrati già a partire dagli giri. Per capire meglio il fenomeno partiamo con l analizzare il concetto di squilibratura che è la condizione che si verifica quando l asse della massa rotante non coincide con l asse di rotazione della massa stessa. Con riferimento alla figura si possono individuare tre tipi di squilibratura: - statica (o di singolo piano), quando l asse della massa non coincide con l asse di rotazione, ma è ad esso parallelo. - in coppia, quando l asse della massa non coincide con l asse di rotazione, ma lo interseca in corrispondenza del centro di gravità del rotore - dinamica (o a due piani), quando l asse della massa non coincide con l asse di rotazione, non è ad esso parallelo e lo interseca al di fuori del centro di gravità del rotore. La squilibratura dinamica è una combinazione di squilibratura statica e in coppia ed è presente praticamente in tutte le masse rotanti coinvolte nelle lavorazioni meccaniche. Lo squilibrio residuo di una massa e rotante U viene calcolato con la formula: U = m r dove m è la massa (espressa in grammi) e r è il raggio del pezzo da equilibrare D (espresso in mm). M Ogni situazione di squilibratura produce una forza centrifuga F, determinata come: F = U ω dove ωè la ω velocità angolare (espressa 2 in radianti per secondo). La formula di ω= (2 π n)/60 Combinando le due formule, la forza centrifuga diventa: F = m r (2 π n) Squilibratura statica / Static unbalance Squilibratura in coppia / Coupled unbalance Squilibratura dinamica / Dynamic unbalance Fig. 43: Possibilità di squilibratura Possibility of unbalance s Breton HSM 40 When working at high speed, the work requires rotation speeds for the tool that may vary from a minimum of 15,000 rpm to speeds of up to 40,000 rpm. It is obvious that, under these conditions, the balance of the tool - tool-holding unit is important in order to obtain an optimum quality in the final working. It is necessary to note that in order not to damage the delicate parts of the machine, such as the electrospindle for example, it is best to have balanced tools right from the start at 8,000 rpm. To understand this phenomenon better, let us analyse the concept of unbalance, which is the condition that occurs when the axis of a rotating mass does not coincide with the axis of rotation for the mass itself. If we refer to the figure, we can see three types of unbalance: - static (or in a single plane): when the axis of the mass does not coincide with axis or rotation, but it is parallel to it - coupled: when the axis of the mass does not coincide with axis of rotation, but intersects it through the centre of gravity of the rotor. - dynamic (or in two planes): when the axis of the mass does not coincide with the axis of rotation, it is not parallel to it and intersects it away from the centre of gravity of the rotor. Dynamic unbalance is a combination of static unbalance and coupled unbalance, and is present in practically all rotating masses involved in mechanical working. m Residual unbalance of a rotating mass, U, is calculated with the formula: U = m r, where m is the mass (expressed in grams) and r is the radius of the piece to be balanced (expressed in mm). Every situation of unbalance produces a centrifugal force F, determined by F = U ω where ω is the angular speed 2 (expressed in radians per second). The formula is ω = (2 π n)/60 So, combining the two formulas, the centrifugal force becomes: F = m r (2 π n) r M S = Massa Centro motore della massa / Motor (M mass Centre mass (M + m) + m) e = Centre Spostamento mass dispacement del centro della massa r = centro Distanza della dal massa centro m geometrico al Distance centre and between the centre the mass geometrical m ω m = Velocità Squilibratura angolare della / massa Angular speed F Unbalance Forza centrifuga mass D = Centro geometrico / Centrifugal / Geometrical force centre Fig. 44: Schema di rotore squilibrato Scheme of an unbalanced rotor

18 Si può vedere che aumentando la velocità di rotazione n, la forza centrifuga F dovuta alla squilibratura non aumenta linearmente, ma in proporzione quadratica. Se fino ad una velocità di giri/min è sufficiente un buon mandrino equilibrato dal costruttore in classe G 2.5, oltre gli giri/min l equilibratura dinamica diventa importantissima, infatti un equilibratura inadeguata può provocare: - danni nel pezzo in lavorazione, per effetto delle vibrazioni dell utensile. Ne derivano una scarsa finitura superficiale e precisione dimensionale. - danneggiamento dei cuscinetti del mandrino che avranno un usura molto precoce con conseguenti frequenti arresti macchina. - riduzione della vita del tagliente fino al 50% Nelle lavorazioni ad Alta Velocità l errore di concentricità dell utensile è particolarmente critico, rilevato in prossimità del tagliente questo non dovrebbe superare i 10 µm, infatti empiricamente si verifica che per ogni 10 µm di eccentricità si riduce la durata del tagliente del 50%, oltre naturalmente ai problemi indotti sulla qualità di finitura del pezzo. Le classi di equilibratura sono standardizzate ed il metodo di calcolo è riportato nella norma ISO 1940 della quale di seguito riportiamo un breve esempio. La classe di equilibratura è indicata con la lettera G seguita da un numero, ad esempio 2.5 che indica il valore di squilibrio residuo ad una velocità stabilita. Dalla norma ISO 1940, in funzione del tipo di lavorazione e dei parametri di taglio si individua la relativa classe di equilibratura. Per lavorazioni meccaniche ad alte velocità la classe di equilibratura è G 2.5. G è il prodotto dello sbilanciamento specifico e per la velocità di rotazione angolare w, quindi: G = e xω (espresso in mm/sec) dato che: e = U/M G = U ω M e dato che: ω = 2 π n G = U (2 π n) 60 M 60 risolvendo per U e svolgendo i calcoli: U = 9,5 M G N U è lo squilibrio residuo (espresso in gmm) Proponiamo un calcolo dello squilibrio residuo di un portautensili di 3 kg che lavora a giri/min considerando due diverse classi di equilibratura G 2.5 e G 1: U = 9,5 x3000 gr x 2,5 mm/sec = 2,85 gmm U = 9,5 x 3000 gr x 1 mm/sec = 1,14 gmm You can see that increasing the rotation speed n, the centrifugal force F due to the unbalance does not increase linearly, but in quadratic proportion. If, at a speed of 8,000 rpm, it is sufficient to have a good balanced electrospindle from the manufacturer in class G 2.5, over 8,000 rpm the dynamic balance becomes very important indeed. In fact, an inadequate balance can cause: - damage to the piece being worked, due to the effect of the tool vibrating. From this arises poor surface finish and dimensional precision; - damage to the electrospindle bearings, which would suffer greater wear with frequent machine stoppages; - reduction in the life of the cutting edge by up to 50%. In high-speed working, the concentricity of the tool is particularly critical. It is measured near the cutting edge, and should not exceed 10 µm. In fact, empirically it has been shown that for each 10 µm of eccentricity, the lifespan of the cutting edge is reduced by 50%, as well as causing problems with the quality of finish of the piece, of course. The classes of balancing are standardised, and the calculation method is shown in standard ISO 1940, from which we show a brief example. The balance class is indicated with the letter G, followed by a number, for example 2.5, which shows the value of residual balance at an established speed. From the ISO standard 1940, depending on the type of working and on the cutting parameters, you identify the relevant balance class. For high-speed mechanical working, the balance class is G 2.5. G is the product of specific unbalance e for the angular rotation speed w, therefore: G = e x ω (expressed in mm/sec) given that: e = U/M G = U ω M and given: ω = 2 π n G = U (2 π n) 60 M 60 resolving for U and calculating: U = 9,5 M G N U is the residual unbalance (expressed in gmm) Let us now take a calculation of the residual unbalance of a tool-holder of 3 kg that works at 25,000 rpm. considering two different classes of balancing, G 2.5 and G 1: U = 9.5 x3000 gm x 2.5 mm/sec = 2.85 gmm U = 9.5 x 3000 gm x 1 mm/sec = 1.14 gmm Breton HSM 41

19 Le possibili cause che possono 250 The possible causes of unbalance generare lo squilibrio del gruppo in the tool-holder - tool unit can be portautensile utensile possono 100 traced to the following: essere ricondotte a: 50 a) constructive geometrical factors a) cause geometrico costruttive eliminabili già in fase di costruzione 20 struction phase of the tool-holder by that can be eliminated in the con- del portautensili con un adeguata 10 adequately balancing it, thus: bilanciatura dello - the asymmetric position of the stesso come: 5 4 grooves used for the automatic - la posizione asimmetrica delle scanalature usate per il cambio auto- - the locking screws in the 2 change (DIN or CAT tool-holders), matico (portautensili DIN o CAT) 1 Weldon tool-holders, - le viti di bloccaggio nei portautensili Weldon grooves of the flange, 0,5 - the non-machined V-shaped - la scanalatura a V non rettificata 0,2 b) causes which are more operational or constructional, but diffi- della flangia 0,1 b) cause più operative o costruttive ma difficili da controllare e da N in giri/min (rpm) such as: cult to check and to eliminate, eliminare, come: - la non perfetta posizione della Fig. 45: Classi di equilibratura - the imperfect positioning of the Classes of balancing gripper and its lock nut in its position, pinza e della sua ghiera di bloccaggio nella sua sede the tool is not perfectly centred with the tool-holder, non perfetto centraggio dell utensile con il portautensile the chuck for the tool (Weldon or Whistle Notch), il codolo dell utensile (Weldon o Whistle Notch) - the length and depth different from the groove of - la lunghezza e profondità diverse della scanalatura dell elica - the asymmetric shapes for special working require- the spiral - le forme asimmetriche per particolari esigenze di lavorazione (tipo barre di alesatura). ments (boring bar type). To eliminate these latter problems as much as possible, Per eliminare il più possibile questi ultimi problemi, above all in the finishing operations, it is necessary to soprattutto nelle operazioni di finitura, occorre utilizzare use symmetrical and precision tool-holders. Among all portautensili simmetrici e di precisione. Tra tutti quelli che those which ensure the best results are those with hot garantiscono il miglior risultato sono quelli con calettamento dell utensile a caldo. Negli altri casi per ottenere la compensation for unbalance, you can use tool-holders keying of the tool. In other cases, to obtain the maximum massima compensazione dello squilibrio si possono utilizzare portautensili bilanciabili. Questi portautensili hanno la option of being able to move weight inside them so as to that can be balanced up. These tool-holders have the possibilità di poter eseguire al loro interno uno spostamento di masse in modo tale da riportare entro il valore der unit to that required. restore the value of the unbalance of the tool - tool-hol- desiderato lo squilibrio del gruppo utensile-portautensile. The discriminating factors in choosing a tool-holder that I fattori discriminanti nella scelta di un portautensile bilanciabile sono: high quality of material and precision of construction, can be balanced are: - alta qualità del materiale e massima precisione di - a low value for the residual unbalance given by the costruzione manufacturers, - un basso valore di sbilanciamento residuo dato dall azienda costruttrice tool-holders with L >100 mm or >2D, or with rotation - the existence of two balancing planes (necessary for - l esistenza di due piani di equilibratura (necessari per velocity over 15,000-20,000 rpm), portautensili con L>100 mm o >2D, oppure con velocità - the precision of the graduated scale of the ferrules and di rotazione oltre giri/min) their correspondence to reality - la precisione della scala graduata delle ghiere e la loro - a system of locking of the ferrules that ensure maximum stability, corrispondenza alla realtà - un sistema di bloccaggio delle ghiere che assicuri la - a system that prevents the ferrules from becoming massima stabilità deformed due to the centrifugal forces. - un sistema che impedisca alle ghiere di deformarsi per effetto della forza centrifuga. e in g x mm/kg o eccentr. in µm G40 G40 G40 G40 G40 G40 Breton HSM 42

20 Può essere utile a questo punto dare un breve cenno sulle macchine equilibratrici che si possono trovare sul mercato. Possiamo suddividerle fondamentalmente in due categorie: 1) macchine a piano singolo, che permettono solo la misurazione e la correzione della squilibratura statica, lasciando inalterato o creando una squilibratura in coppia 2) macchine a due piani, che permettono la misurazione e la correzione della squilibratura dinamica, in corrispondenza a due piani preselezionati. Il primo tipo è da utilizzarsi per equilibrare portautensili con velocità di lavorazione inferiore a giri/min, e con utensili di lunghezza inferiore a due volte il diametro in corrispondenza della linea di fede e che siano stati prebilanciati dal costruttore. Il secondo tipo invece si rende indispensabile per equilibrare portautensili con velocità di rotazione superiori a giri/min, con lunghezza superiore a due volte il diametro in corrispondenza della linea di fede. Nel caso di attacco utensile HSK vi sono macchine equilibratrici appositamente studiate per questa tipologia di attacco. Il corpo dell utensile Il corpo utensile svolge fondamentalmente le funzioni di: fissaggio e supporto del tagliente - garantire l adeguata resistenza e rigidezza durante l azione di taglio permettere un ottima evacuazione del truciolo - garantire un ottima precisione dimensionale e geometrica - smorzare le vibrazioni che si generano durante la lavorazione Se nelle lavorazioni tradizionali alcuni particolari costruttivi del corpo utensile possono passare in secondo ordine, nella nuova fresatura HSC ognuno dei punti sopra elencati assume un ruolo molto importante. Prendiamo ad esempio il fissaggio del tagliente: la vite nell applicazione standard è dimensionata essenzialmente per resistere a carichi assiali generati dalla forza di taglio, nelle applicazioni HSC in taluni casi la forza centrifuga che si genera è molto superiore a quella dovuta all azione di taglio per cui è molto importante che sia la vite che la sede dell inserto siano studiati per garantire la massima stabilità e resistenza anche a questo tipo di forze. It may be useful at this point to give a brief overview of the balancing machines that can be found on the market. We can basically divide them into two categories: 1) machines with a single plane, that only allow the measuring and correcting of static unbalance, leaving unaltered or creating a coupled unbalance 2) machines with two planes, that allow the measuring and correcting of dynamic unbalance, corresponding to two pre-selected planes. The first type is to be used to balance tool-holders with a working speed of less than 15,000 rpm, and with tool of a length less than twice the diameter corresponding to the index line, and that have been pre-balanced by the manufacturer. The second type is valuable for balancing tool-holders with rotation speed of more than 15,000-20,000 rpm, with a length more than twice the diameter corresponding to the index line. In the case of HSK tool connectors, there are balancing machines especially designed for this type of connector. The body of the tool The tool body carries out the following functions: fixing and supporting the cutting edge, - ensuring adequate strength and rigidity during the cutting action, allowing an optimum removal of the chip, - ensuring optimum dimensional and geometrical precision - absorbing the vibrations that are created during working. If, in traditional work, some constructional parts of the tool body may become of secondary importance, in the new HSC milling process, each of the points listed above assumes a much more important role. Let us take as an example the fixing of the cutting edge. The screw in the standard application is designed essentially to withstand axial loads generated by the cutting force. In the HSC applications, in some cases the centrifugal force that is generated is much higher than that due to the cutting action. So therefore it is very important that both the screw and the seating of the insert are designed to ensure the maximum stability and resistance even to these types of forces. Breton HSM 43

C.B.Ferrari Via Stazione, 116-21020 Mornago (VA) Tel. 0331 903524 Fax. 0331 903642 e-mail cbferrari@cbferrari.com 1. Cause di squilibrio a) Asimmetrie di carattere geometrico per necessità di progetto

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